毕业设计论文S7200PLC控制的PWM直流电机含程序.docx
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毕业设计论文S7200PLC控制的PWM直流电机含程序
毕业设计论文
题目S7-200PLC控制的PWM直流电机
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设计总说明
随着PLC技术的发展，以及其性价比的提高，利用PLC控制直流电动机已经越来越普遍，采用先进的PWM控制技术则可构成直流电动机无级调速系统，同时起、停时直流系统无冲击，而且具有启动功耗小，运行稳定等特点。
本文介绍了24伏29瓦直流电动机PWM调速硬件系统，编写了用S7-200PLC实现24伏29瓦直流电动机PWM的控制程序，程序包括控制系统的指令的初始化、转速检测、调速三部分。
与相应的硬件电路配合，实现了对24伏29瓦直流电动机的PWM控制。
该控制系统功能包括电机的PWM调速、转速检测、电机转速的调节。
PWM调速是用S7-200PLC内部自带的PWM高速脉冲输出功能指令，通过对其占空比的设置来改变脉冲宽度和周期，实现控制任务；速度检测和调速是通过硬件与S7-200PLC的高速计数器配合和PWM的设置来实现的，所有程序都己编译通过，经过实验验证，工作状态良好。
文中对直流电动机结构、工作原理、PWM调速系统的构成、S7-200PLC的部分指令以及用S7-200PLC实现PWM调速做了简单介绍。
关键词：
直流电动机；PWM调速；S7-200PLC；转速检测；单闭环
1设计内容及要求
1.1设计目的
本设计是针对电机对象，由上位机给定分程系数，用西门子S7-200可编程控制器的原理编程，特别是光电编码器脉冲数的读取和PID算法程序的编制。
其中，使用KINGVIEW监控组态软件编写上位机监控程序，完成显示控制流程，实时曲线，结构框图，历史曲线，报表打印等功能。
1.2设计内容
设计一个直流电机转速控制系统，其主要内容为：
1.熟悉可编程控制器和实验设备。
2.掌握西门子S7-200-CPU224的性能，熟悉编程环境。
3.掌握建立计算机控制技术系统的方法，按系统要求组成系统，进行调试以满足给定指标。
4.绘制系统结构图，提供程序梯形图。
利用西门子PLC设计电机转速的控制系统，编写程序，实现单闭环控制系统，实现如下工程：
1、实现启动过程准时间最优，静态调速无静差
2、在CAD上画出系统的硬件控制原理图
3、要求电机完成启动、停车、加减速控制
4、在计算机上用组态王模拟实验现场流程图，并进行参数设定。
1.3设计原理
利用小型过程控制装置结合计算机控制技术，在组态软件下编程并通过调整和改进控制算法，从而实现单闭环控制系统设计要求。
通过利用调节器的工程整定方法，最后得到一组能稳定、准确、快速的达到控制要求的PID参数。
通过本设计掌握分程控制系统的基本概念，了解分程控制系统的组成结构。
掌握分程控制系统的特点、分程控制系统的设计思想。
掌握分程控制参数整定方法，熟悉PID参数对控制系统质量指标的影响，用计算机进行PID参数的调整和自动控制的投运。
2系统的总体设计
2.1试验系统简介
2.1.1直流电动机概述
直流电动机是指通过直流电流而产生机械运动的电动机。
在工业生产中，常需要利用电动机的轴上转矩拖动生产机械，对产品进行加工。
根据工艺要求，生产机械需要各种不同的速度，因而要求电动机能够在所需要的范围内进行进度调节。
和交流电动机比较，直流电动机具有更好的调速性能，不但调速范围广，且易于平滑调节；起、制动转矩大，易于快速起、停车；易于控制，
因而直接流电动机被广泛应用于深调速和高精度，特别是快速可逆电力拖动系统中。
例如，用来作为轧钢机、金属切削机床等生产机械的拖动电动机。
电子技术的发展和现代控制理论的应用，使直流电机拖动系统更能适应高精度、高指标的生产机械的要求。
此外，小容量直流电机大多在自动控制系统中以伺服电动机、测速发电机等形式作为测量、执行元件使用。
半导体技术的发展，促使直流电机也有所发展，同时也扩大了直流电机的应用范围。
但是，和交流电动机比较，直流电动机有结构较复杂、制造成本较高、维修较为困难等缺点，出而直流电功机的应用也受到一定的限制。
目前，虽然由晶闸管整流元件组成的静止固态直流电源设备已基本上取代了直流发电机，但直流电动机仍以其良好调速性能的优势在许多传动性能要求高的场合占据一定地位。
2.1.2直流电动机的结构
直流电机在结构上是由固定部分（定子）和旋转部分（转子）组成的。
定子主要用来产生磁通和作电机的机械支撑；转子通常称为电枢，用来产生感应电势和电磁转矩[1]。
下面分别介绍定、转子的主要部件。
（一）定子
1、主磁极主磁极的作用是产生主磁通建立气隙磁场，并使电枢表面的气隙磁通密度按一定的波形沿空间分布。
它由磁极铁心和励磁绕组两部分组成，如图2-1所示。
磁极铁心一般由1～1.5mm的低碳钢板冲片叠装而成。
图2-1直流电机结构示意图
1—主磁极；2—励磁绕组；3—机座；4—端盖；5—轴承；6—电刷；7—电枢铁心；
8—电枢绕组；9—换向器；10—轴；11—风扇；12—极靴；13—换向极；14—换向绕组；15—电枢齿；16—电枢槽；17—底座
励磁绕组用圆截面或矩形截面的绝缘导体绕制、浸漆烘干而成。
磁极铁心套上励磁绕组后用螺钉固定在机座上。
主磁极数总数是偶数，各磁极上励磁绕组通常都串联连接，连接时要保证相邻磁极的极性按N、S依次排列。
2、换向极换向极的作用是改善换向，消除或减小电刷与换向器之间的火花。
换向极的结构与主磁极相似，由铁心和励磁绕组组成，如图2-1所示。
铁心由薄钢板或整块钢制成。
换向磁极安装在两个主磁极之间的几何中性线上，并用螺钉固定在机座上。
换向磁极的数目一般与主磁极相等；个别小电机，换向极数目也可以少于主磁极的数目。
3、机座机座既作为电机的机械支撑，又是磁极间磁通的通路，称为定子磁轭。
机座由铸钢铸成或由厚钢板焊接而成。
4、电刷装置电刷装置由电刷、刷握、握杆、握杆座及铜丝辫等零部件组成。
电刷装置的作用是把转动的电抠电路与不转的外电路接通，它是固定不动的。
电刷的数目一般等于主磁极数目，各电刷在换向器表面的分布应是等距的。
（二）转子
1、电抠铁心电枢铁心是主磁路的一部分。
当电枢在磁场中旋转时，铁心个的磁通方向不断变化，因而会产生涡流及磁滞损耗。
为了减少磁损耗，铁心通常用0.5mm硅钢片叠成。
2、电枢绕组电枢绕组是直流电机的主要电路，是直流电机实现机电能量转换的关银部件。
当电枢在磁场中旋转时，电枢绕组中产生感应电动势；当电枢绕组中流过电流时，它在磁场中受力产生电磁转矩。
电枢绕组由一个一个的线圈元件组成，嵌放在电枢铁心的槽中。
3、换向器换向器是直流电机员重要的部件之一。
对于电动机是将输入的直流电流转换为电枢绕组元件中的交变电流，产生恒定方向的电磁转矩。
根据电机的容量和转速的不同，换向器有多种结构形式。
2.1.3直流电动机的机械特性
电动机的机械特性是指U=UN=常值，If=IfN=常值，电枢回路电阻（Ra+Rc）=常值条件下，电动机的转速与电磁转矩之间的关系，即n=f（Tem）。
它是选用电动机和评价电动机性能时的主要依据之一。
本论文重点介绍他励直流电动机的机械特性。
他励直流电动机的机械特性方程为：
（2-1）
当电动机外加电压为额定值UN，气隙磁通也为额定值ΦN，且电枢回路不外串电阻Rc,即Rc=0时，电动机的机械特性称为固有机械特性（也称自然机械特性），如图2-2中直线1所示。
它是一条略微向下倾斜的直线。
当改变电动机的外加电压U、主磁通φ或电枢外串电阻Rc三个参数中的一个时，就可得到人工机械特性。
图2-6中直线2为电枢电阻人工机械特性、直线3为改变电动机外加电压人工机械特性、直线4为减小磁通的人工机械特性。
（一）固有机械特性的绘制
忽略电枢反应的去磁通效应时，他励直流电动机的固有机械特性是一直线，只要知道机械特性上的两个点，就可以绘出固有机械特性。
取理想空载点和额定运行点计算比较方便。
在理想空载点：
在额定运行点：
计算出额定电磁转矩：
（2-2）
在电动机的名牌上可以查到UN、IN及nN三个数据，只要知道电枢回路电阻Ra，就能算出n0及TN。
电动机名牌上是不标出Ra的。
为了求出Ra的值，对效率电机可以采用伏安法实测，如果没有实际电机，则可以根据名牌数据估算Ra的值。
估算的依据是，普通直流电动机在额定状态下运行时，其电枢铜耗约占总铜耗的1/2～2/3。
电动机的总损耗为：
（2-3）
额定电枢铜耗为：
因此，电枢电阻Ra为：
=
（2-4）
式中，PN为电动机的额定功率，单位为KW。
综上所述，根据名牌计算电动机固有机械特性的步骤是：
1、根据UN、PN、IN按式（2-4）估算Ra；
2、按式（2-2）计算CeΦN；求n0=UN/CeΦN；
3、计算TemN=9.55CeΦNIN。
在坐标纸上标出（n0，0）、（nN，TN）两点，过这两点连成一直线，即得到固有机械特性。
（二）人为机械特性的绘制
求出Ra、CeΦN后，人为机械特性就容易计算了。
计算电枢串电阻的人为机械特性时，首先计算理想空载转速n0=UN/CeΦN，得出理想空载点（n=n0，Tem=0），再根据已知的电枢外串电阻Rc以及额定电磁转矩TemN=9.55CeΦNIN，计算在额定负载转矩下电动机的转速nRN：
=
-
（2-5）
得到额定负载下的运行点（n=nRN，Tem=TN）。
过这两点连一直线，即得到电枢外串电阻Rc的人为机械特性。
2.2S7-200PLC概述
PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程装置组成，PLC的特殊功能模块用来完成某些特殊的任务。
目前PLC已经广泛引用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中。
西门子公司的SIMATICS7-200系列属于小型PLC，可用于代替继电器的简单控制场合，也可用于复杂的自动化控制系统，由于它有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其作用。
S7-200的可靠性高，可以用梯形图、语句表、和功能图三种语言来编程。
它的指令丰富，指令功能强，易于掌握，操作方便，内置有高速计数器、高速输出、PID控制、RS-485通信/编程接口、PPI通信协议、MPI通信协议和自由端口模式通信功能，最大的可以扩展到248点数字量I/O或35路模拟量I/O，最多有30多KB程序和数据存储空间。
西门子公司在2004年推出了升级产品CPU224和CPU226，本设计所用的是CPU224，新产品CPU224除具备升级CPU特性外，还集成有2路模拟量输入，1路模拟量输出，有2个RS-485通信口，高速脉冲输出频率提高到100kHz，2相高速计数器频率提高到100kHz，有PID自整定功能。
这种新型CPU增强了S7-200在运动控制、过程控制、位置控制、数据监视和采集（远程终端应用）以及通信方面的功能。
STEP7-Micro/WINV4.0是S7-200PLC系列产品的最新版编程软件，本设计编程就是用STEP7-Micro/WINV4.0编程软件来完成的。
STEP7-Micro/WINV4.0的兼容性极强，支持所有S7-200CPU22x系列产品，增加了数据记录指令、PID自整定指令、配方指令、夏令时指令、间隔定时指令、诊断LED（DIAG_LED）指令、线性斜坡脉冲指令等。
2.3STEP7-Micro/MINV4.0编程软件简介
本节所述的内容是STEP7-Micro/WINV4.0版编程软件的介绍与应用，安装编程软件的计算机应使用Windows操作系统，为了实现PLC与计算机的通信，必须配备下列设备中的一种：
一条PC/PPI电缆或PPI多主站电缆；一块插在个人计算机中的通信处理器（CP）卡和MPI（多点接口）电缆。
2.3.1编程软件项目的组成
图4-3是V4.0编程软件的界面，项目（Project）包括下列基本组件[4]：
（1）程序块程序块由可执行的代码和注释组成，可执行的代码由主程序（OB1）、可选的子程序和中断程序组成。
代码编译并被下载到PLC，程序注释被忽略。
（2）数据块数据块由数据（变量存储器的初始值）和注释组成。
数据被编译并下载到PLC，注释被忽略，数据块的编写方法详见[13,10]。
代替继电器控制系统的数字量控制系统可以只设置主程序OB1，不使用子程序、中断程序和数据块。
（3）系统块系统块用来设置系统的参数，例如存储器的断电保持范围、密码、STOP模式时PLC的输出状态（输出表）、模拟量与数字量输入滤波值、脉冲捕捉位等，系统块中的信息需要下载到PLC，系统块中参数的设置方法详见[13,10]。
（4）符号表符号表允许程序员用符号来代替存储器的地址，符号地址便于记忆，使程序更容易理解。
程序编译后下载到PLC时，所有的符号地址被转换为绝对地址，符号表中的信息不会下载到PLC。
（5）状态表状态表用来观察程序执行时指定的内部变量的状态，状态表并不下载到PLC，仅仅是监控用户程序运行情况的一种工具。
（6）交叉引用表交叉引用表列举出程序中使用的各操作数在哪一个程序块的哪一个网络中出现，以及使用它们的指令的助记符。
还可以查看哪些内存区域已经被使用，在作为位使用还是作为字节使用。
在运行（RUN）模式下编辑程序时，可以查看程序当前正在使用的跳变触点的编号。
交叉引用表并不下载到PLC，编译成功后才能看到交叉引用表的内容。
在交叉引用表中双击某操作数，可以显示出包含该操作数的那一部分程序。
（7）项目中各部分的参数设置执行菜单命令“工具”—“选项”，在出现的对话框中选择某一选项卡，可以进行有关的参数设置。
图2-3V4.0编程软件的界面
2.3.2程序的编写与传送
操作步骤如下：
（1）创建一个项目或打开一个已有的项目执行菜单命令“文件”—“新建”或按工具条最左边的【新建项目】按钮；用菜单命令“文件”—“打开”可以打开已有的项目。
（2）设置与读取PLC的型号在编程之前，应正确设置其型号，以防止创建程序时发生编译错误。
执行“PLC”—“类型”菜单命令，在出现的对话框中可选择型号。
（3）选择编译语言和指令集执行菜单命令“工具”—“选项”，将弹出选项窗口，在“一般”选项卡中可选择语言和指令集。
（4）确定程序结构较简单的控制程序一般只有主程序（OB1）,系统较大、功能复杂的程序除了主程序外，可能还有子程序、中断程序和数据块。
（5）编写符号项目符号表用符号地址代替存储器的地址，便于记忆。
（6）编写数据块数字量控制程序一般不需要数据块。
（7）编写用户程序用选择的编程语言编写用户程序。
（8）注释与符号信息表符号信息表列出了网络中使用符号地址的有关信息，未显示网络注释时可以在网络的标题行输入信息。
（9）编译程序选择“PLC”菜单中的命令按钮，可以分别编译当前打开的程序或全部程序。
（10）程序的下载、上载和清除
2.4组态王的组成
利用组态软件可以进行人机对话，设计组态画面时必须设计包括：
监控画面，实时曲线，历史曲线，参数设定，报表生成。
在设计后可以有效地直观地对控制单位与被控单位进行监控。
2.4.1画面制作
•建模
建模就是在对系统要求进行分析后，建立数学模型。
以转速控制系统为例，直流电机为控制对象，目的是将直流电机的转速实时显示出。
•文本输入
用鼠标单击“工具箱”中的“文本”工具按钮，然后将鼠标移动到画面上适当位置单击，用户便可以输入文字。
输入完毕后，单击鼠标，文字输入完成。
•图素输入
利用组态王的图库绘制需要的图素。
单击“图库”中的“打开图库”菜单项（或使用快捷键F2），出现“图库管理器”窗口。
•动画连接
要逼真的显示系统的运行状况，必须将图素和数据库中已经设定的相应变量联系起来，即让画面“动”起来。
将图素和数据库中对应变量建立联系的过程称为“动画连接”。
建立动画连接后，当数据库中的变量发生变化后，图形对象就可以按照设定的动画连接随之做同步的变化。
•命令语言及控制程序编写
命令语言都是靠事件触发执行的，如定时、数据的变化、键盘键的按下、鼠标的点击等。
根据事件和功能的不同，包括应用程序命令语言、热键命令语言、事件命令语言、数据改变命令语言、自定义函数命令语言、动画连接命令语言和画面命令语言等。
具有完备的词法语法查错功能和丰富的运算符、数学函数、字符串函数、控件函数、SQL函数和系统函数。
图2-4组态监控画面
•趋势曲线和其他曲线
1）历史趋势曲线
在组态王开发系统中制作画面时，选择菜单“图库＼打开图库”项，弹出“图库管理器”，单击“图库管理器”中的“历史曲线”，在图库窗口内用鼠标左键双击历史曲线（如果图库窗口不可见，请按F2键激活它），然后图库窗口消失，鼠标在画面中变为直角符号“┌”，鼠标移动到画面上适当位置，单击左键，历史曲线就复制到画面上了。
2）实时趋势曲线
在组态王开发系统中制作画面时，选择菜单“工具＼实时趋势曲线”项或单击工具箱中的“画实时趋势曲线”按钮，此时鼠标在画面中变为十字形，在画面中用鼠标画出一个矩形，实时趋势曲线就在这个矩形中绘出。
•数据报表
数据报表是反应生产过程中的数据、状态等，并对数据进行记录的一种重要形式。
它既能反映系统实时的生产情况，也能对长期的生产过程进行统计、分析，使管理人员能够实时掌握和分析生产情况。
2.4.2组态王通讯与变量设置
（1）通讯连接设置
设置上位机与下位机的连接：
在组态王工程浏览器树型目录中，选择设备，在右边的工作区中出现了“新建”图标,双击此“新建”图标，弹出“设备配置向导”对话框。
在上述对话框选择西门子提供的“S7—200”的“PPI”项后单击“下一步”弹出对话框，接下来为设备选择连接的串口为COM1，设备地址为2，以及设置通信故障恢复参数，（一般情况下使用系统默认设置即可）。
（2）变量定义
在组态王工程浏览器中提供了“数据库”项供用户定义设备变量。
根据系统设计中每个界面需要的各种变量，在数据词典中进行相应的变量定义。
所以说数据库是联系上位机和下位机的桥梁。
数据库中变量的集合形象地称为“数据词典”，数据词典记录了所有用户可使用的数据变量的详细信息。
对于大批同一类型的变量，组态王还提供了可以快速成批定义变量的方法——即结构变量的定义。
以下为本次设计中所需要定义的一些数据变量。
2.5测速方法
目前工业中测量转速的方式主要有两种。
一种是将转速转化为模拟信号,对模拟信号进行测量。
如测速发电机是将转速直接转换为电压信号,然后测量其电压。
这种方法的缺点是被测信号易受电磁干扰和温度变化的影响。
另一种是将转速信号转化为脉冲信号,然后用数字系统内部的时钟来对脉冲信号的频率进行测量。
这种方法的优点在于抗干扰能力强、不受温度变化影响、稳定性好。
2.6直流电动机的调速
在生产实践中，有许多生产机械根据工艺要求需要调节速度。
改变生产机械的转速可以采用改变传动机构的速比实现，这种方法称为机械调速。
在生产中应用较多的是电气调速，即人为地改变电动机的参数，从而得到不同的转速。
从机械特性可知，电动机的转速由电动机的机械特性和负载机械特性的交点，即工作点决定。
若工作点变了，电动机的转速也就变了。
如图2-6所示，电动机额定运行时工作于固有机械特性1与负载机械特性3的交点A，其转速为nA，如果在电枢回路串入电阻，那么电动机的机械特性将变为图中直线2，它与负载机械特性3的交点为B点，电动机的转速变为nB，从而实现了转速调节。
常见的几种调速方式：
1他励直流电动机的串电阻调速2降低电枢供电电压调速3减弱磁通调速
2.7如何实现电机启动过程的准时间最优
在设备物理上的允许条件下实现最短时间的控制称作“时间最优控制”，对于调速系统，在电动机允许过载能力限制下的恒流启动，就是时间最优控制。
实际启动过程与理想启动过程相比还有一些差距，不过这两段时间只占全部启动时间中很小的成分，无伤大局，故可称做“准时间最优控制”。
2.8如何实现电机调速的静态调速无静差
积分控制可以使系统在无静差的情况下保持恒速运行，实现无静差调速。
比例调节器的输出朱取决于输入偏差量的现状，而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。
从无静差的角度突出地表明了积分控制优于比例控制的地方，但是从另一方面看，在控制的快速性上，积分控制却又不如比例控制。
同样在阶跃输入作用之下，比例调节器的输出可以立即响应，而积分调节器的输出却只能逐渐地变化。
比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自缺点，扬长避短，相互补充。
比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。
2.9如何实现电机调速
调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电动机的转速。
3硬件设计
3.1控制系统设计概述
本次设计采用S7-200PLC实现PWM控制直流电动机，单闭环回路，使用PLC的CPU224模块。
分析本设计后决策使用的硬件有：
开关、固态继电器、整流装置、光电编码器、直流电机、西门子PLCS7-200。
设计用霍尔传感器来检测电动机的转速，将其以脉冲的形式输出，并送至PLC内部的高速脉冲计数器，使用M法测速原理，通过编程转换成转速，经过软件实时扫描，从而得到电机的转速。
图3-1控制结构框图
3.2控制系统的硬件设计
确定了相关的实验设备之后，接下来就需要硬件选型表
3.3实验平台的搭建、
下面是相关的实验设备实物图及整体的实物连接图
图3-2实物元件图
图3-3整体实物连接图
图3-4电气控制原理图
3.4控制系统的转速检测
转速的测量方式有多种，数字测速具有测速精度高、分辨能力强、受器件影响小等优点，被广泛应用于调速要求高、调速范围大的系统。
数字测速方法有M法、T法、M/T法和E/T法，关于各方法的使用和优缺点，本实验使用了M法测速。
3.5系统测速软件编程思想
速度检测有模拟和数字两种检测方法。
模拟测速一般采用测速发电机，其输出电压不仅表示了转速的大小，还包含了转速的方向，不过模拟测速方法的精度不够高，在低速时更为严重。
对于要求精度高、调速范围大的系统，一般采用数字测速。
数字测速具有测速精度高、分辨能力强、受器件影响小等优点，被广泛应用于各种调速系统。
考虑到实验经费等多方面因素，本次设计采用数字测速。
数字测速最常见的检测元件是光电式旋转编码器，旋转编码器与电动机相连，当电动机转动时，便发出转速或转角信号，然后送给接受处理装置。
脉冲送到PLC的高速计数器中，再通过基于测速原理的计算转换成转速值。
目前常用的测速方法有以下几种：
（1）M法：
是在一定时间间隔内，对霍尔传感器输出脉冲数进行计数，并计算出转速，适用于电动机转速的高速测量。
（2）T法：
是通过测量霍尔传感器的脉冲周期来计算电机转速的一种测量方法，适合于电动机的低速测量。
（3）M/T法：
是结合了M法和T法的优点，在低速及高速段均有较高的分辨能力和测量精度。
（4）E/T法：
其原理是从T法出发，只是为了克服T法高速时的精度问题。
本次实验设计中的电动机的额定转速为3000r/min，用T法或M/T法难以实现传感器两个输出脉冲之间时间的测量，所以在本次设计中采用了M法测量。
（一）M法测速的原理
在一定的时间Tc内测取霍尔传感器输出的脉冲个数M1,用以计算这段时间内的平均转速，称作M法测速（如图6-3所示）。
把M1除以Tc就可得到霍尔传感器输出脉冲的频率f1=M1/Tc，所以又称频率法。
电动机每转一圈共产生Z个脉冲，把f1除以Z就得到电动机的转速。
在习惯上，时间Tc以秒s为单位，
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